机制砂数控环保生产与高性能应用研究
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机制砂数控环保生产与高性能应用研究
孙江涛1，李志堂，高红军1，谭博盛1，文来胜1，王元扩1，沈卫国2
1. 广东省长大公路工程股份有限公司，广州 510620
2. 武汉理工大学硅酸盐建筑材料国家重点实验室，武汉 430070
摘要：结合广西山区高速建设的特点，提出一种机制砂数控环保生产工艺，利用石灰岩隧道洞碴加工出粒形圆润且级配优良的高品质机制砂。通过机制砂与回收石粉结合设计出公路不同用途的系列高性能混凝土，中低强度机制砂混凝土的最优石粉含量为10%~15%，中高强度混凝土中则为6%~8%。机制砂高性能混凝土在全路段不同混凝土工程中成功应用，实现了污染物的废水和粉尘的零排放，不仅有效提高了机制砂混凝土的工作性能和强度保证率，也提升了混凝土外观质量，取得了良好的技术经济效益和生态环境效益。
关键词：数控环保工艺；机制砂；隧道洞碴，高性能混凝土；石粉
引言
我国基础设施建设多年保持蓬勃发展，建筑用天然河砂日渐匮乏，出于提防考虑多地启动了严格的河砂限采措施。人工机制砂代替天然砂成为了一种趋势。国外对机制砂研究始于二十世纪三四十年代，而我国于二十世纪六十年代也开始了相关研究[1]。制砂工艺一般分为湿法制砂和干法制砂，虽然各有优缺点，但湿法制砂主要缺点是对水源污染严重，每吨砂用水4吨左右，另外水洗工艺还带走机制砂中大量细微颗粒，影响机制砂的级配，细度模数偏大，机制砂粒形也不佳，对机制砂混凝土和易性差于外观质量影响较大 [1]；而传统干法制砂主要缺点是除尘效果差，对空气污染大，机制砂中石粉含量难以控制。湿法和干法生产都导致了石粉的浪费和环境污染。大量的研究表明机制砂中石粉对混凝土性能具有正负两方面的效应，合理利用可改善混凝土性能[2~10]。王稷良[2]发现，石灰岩石粉与减水剂的适应性较好，石粉岩性对混凝土干缩、抗渗性、抗冻性和抗硫酸盐侵蚀性影响不大。曹亮宏[4]指出石粉在机制砂混凝土的作用是正负效应协同。依托某高速公路其中一个合同标段工程实际，充分发挥石粉在机制砂混凝土中正效应，优化制砂工艺中成品机制砂石粉含量及机制砂混凝土配比针对传统制砂工艺的不足，结合广西河百高速公路项目，利用石灰岩隧道洞碴，采用数控环保的生产工艺，通过改进制砂与回收石粉优化配合，制备不同强度等级的机制砂高性能混凝土，实现的资源综合利用并提升了混凝土工程质量。
1. 实验原料与试验方法
1.1 原材料
（1）水泥：采用鱼峰牌P.O.42.5水泥，主要性能指标见表1。
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（2）粗集料：采用自产5mm～31.5mm连续级配石灰石碎石，表观密度为2.714kg/m3，松散堆积密度为1.64kg/m3，压碎值为12.2%。
（3）细集料：为自产石灰岩机制砂，细度模数2.9，压碎值18%，石粉含量分别采用0%、5%、10%、20%、30%进行对比试验，亚甲蓝MB值0.55g/kg，表观密度2.702kg/m3，堆积密度1.638 kg/m3，空隙率37%，级配组成如图4所示。
（4）减水剂：采用UJ303型聚羧酸盐高性能减水剂，固含量为25%，减水率为24%~37%。
1.2 配合比试验
由于本项目自产机制砂品质非常接近河砂，并且各项技术指标较天然河砂更为稳定和可控，因此本研究的高性能生态机制砂混凝土配合比设计参照河砂混凝土的配合比设计原则及方法。由于在建项目周边地区粉煤灰资源匮乏且品质难以保障，本项目没有使用粉煤灰来提高混凝土工作性能，而将部分石粉视为胶凝材料的一部分，以改善机制砂混凝土性能及减少水泥用量。
1.3 试验方法
(1)拌和物工作性：按GB/ T 50080- 2002《普通混凝土拌和物性能试验方法标准》进行测试。
(2)抗压强度：按GB/ T 50081- 2002《普通混凝土力学性能试验方法标准》进行测试，试件尺寸为150mm×150mm×150 mm立方体。
2. 实验结果与讨论
2.1 机制砂制备工艺与品质
机制砂混凝土在公路工程中应用根本障碍在于其质量的良莠不齐，机制砂级配两头多中间少[4]的“纺锤形级配”，粒形圆度差，机制砂MB值普遍偏高，不利于机制砂混凝土性能及质量的控制及提升。同时，传统制砂工艺还普遍存在环境污染严重（湿法制砂对水源的污染，传统干法制砂粉尘对空气的污染）。
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针对公路工程机制砂生产的中小规模，本项目通过工程试验及经济对比，优选不同破碎方式制砂，优先使用鄂式破碎机作为一破，采用反击破（圆锥式）作为二破，再经过数控环保干法整形碎石制砂系统，采用石打石的立轴冲击式破碎方式，经过2次破碎之后改善颗粒粒形（图3）；然后采用数控空气筛及改进后的振动筛，使得机制砂颗粒级配更优（图4）。在制砂过程中，改进风力系统，根据试验数据及工程技术指标要求确定机制砂石粉含量，通过计算机控制风力系统，实现全程封闭除尘及机制砂石粉含量的可控。最后对多余石粉封闭回收利用，以及通过加湿搅拌系统对成品砂加湿搅拌，避免成品砂在运输及存储过程中出现离析和扬尘。
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从图4可以看出，本工艺生产的机制砂级配稳定在2区，可实现I级机制砂的稳定生产。降低了机制砂加工成本和环保节能减排：①可以降低设备因除尘所耗的电能，②可减少粉尘的排放和额外处理，③减少废弃石粉的占地。同时，适量的石粉可以减少机制砂混凝土中水泥的用量。
2.2 干法机制砂混凝土性能
才用数控环保工艺生产机制砂不可避免地产生大量的回收石粉，本文采用回收石粉制备了高性能混凝土。
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如图5、图6所示，对于中低强度机制砂混凝土，石粉含量为10%~15%时，混凝土强度达到峰值，并且随着石粉含量的增加，混凝土的工作性也是有所改善。图7表明，对于中高强度机制砂混凝土力学性能及工作性能，石粉含量的最优值为6%~8%。利用回收石粉解决了高流态低强度混凝土强度富余大离析泌水的问题，在水下混凝土和隧道二衬用混凝土中技术优势明显。不仅以降低制砂系统中除尘所需的能耗，减少粉尘的排放并提升了混凝土性能。
2.3 机制砂高性能混凝土工程应用
本项目机制砂高性能生态混凝土已应用于某高速公路其中一个合同标段建设所有结构类型中，并取得较好的技术、经济及环保生态效果。在本项目T梁高性能生态机制砂C50混凝土施工中，其施工工艺与以往预制梁施工工艺基本相同，主要不同点是本项目C50混凝土施工：1）采用自产高品质机制砂及整形碎石作为集料，两者更有利提高混凝土的工作性能及力学性能；2）预制梁模板采用大豆油作为脱模剂，加上合理的振捣，T梁外观效果如图8。
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由图可见采用机制砂制备的高性能混凝土不仅能满足强度要求，而且施工工作性好，基本杜绝离析泌水现象，色差小，无水纹麻棉等现象，外观质量优于常规的混凝土工程，提升了工程优良率。
3 结论
（1）提出一种机制砂数控环保生产工艺，利用了隧道洞碴并基本实现了废水和粉尘零排放，改善了机制砂级配、粒形等品质，实现了I级机制砂的稳定生产。
（2）采用机制砂与石粉配合改善其工作性能。其中中低强度机制砂混凝土的最优石粉含量为10%~15%，中高强度机制砂混凝土的最优石粉含量为6%~8%。
（3）采用机制砂制备的高性能混凝土成功应用于某高速公路所有混凝土结构，提高了混凝土结构内在质量稳定性，并有效提升了外观质量。
参考文献
[1] Shen W, Yang Z, Cao L, et al. Characterization of manufactured sand: Particle shape, surface texture and behavior in concrete[J]. Construction & Building Materials, 2016, 114:595-601.
[2]王稷良. 机制砂特性对混凝土性能的影响及机理研究[D]. 武汉: 武汉理工大学, 2008.
[3]刘战鳌,周明凯,李北星. 石粉对机制砂混凝土性能影响的研究进展[J]. 材料导报, 2014, 28(19): 104-107.
[4]曹亮宏,陈培冲,谭昱,等. 广西石灰岩机制砂混凝土材料设计研究[J]. 武汉理工大学学报, 2013, 35(2): 32-37.
[5]祁峰,胡苗,徐鹏,等. 机制砂配制C60高性能混凝土的试验研究[J]. 中外公路, 2010, 30(3): 273-278.
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[10] 沈卫国,刘D,王中文,等. 基于粉料质量指数的机制砂分级标准研究.新世纪水泥导报.2017 .23(6)9-16
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